Themen für Arbeiten

Am Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik sind verschiedenste Themen für Hauptseminar-, Projekt-, Bachelor und Masterarbeiten zu vergeben. Die Arbeiten richten sich an Studierende der Fachrichtungen Werkstoffingenieurwesen, Rohstoffingenieurwesen, Umweltingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen, Maschinenbau/Verfahrenstechnik, Physik oder Informatik. Die Arbeiten können in der Regel durch Aufteilung der Themengebiete sowohl als kleinere Arbeiten (Bachelor, Seminar-/Projektarbeit) wie auch als Masterarbeit angefertigt werden.

Arbeitsgruppe Industrieofentechnik

letzte Aktualisierung: 14.11.2018
Entwicklung eines Lebensdauerkalkulators und numerische Untersuchungen des Einflusses verschiedener Arten des thermischen Lastwechsels auf ein P-Strahlheizrohr

Strahlheizrohre in Industrieöfen sind höchsten Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt. Durch Korrosion, mechanische Lasten und Thermospannungen kommt es zu bleibenden Verformungen, oxidativem Metallabtrag und Rissbildung. Darüber hinaus senkt thermisches Zyklieren (Temperaturwechsel) die Lebensdauer weiter ab. Praxisübliche Ansätze zur Berechnung der Lebensdauer von Werkstoffen unter Temperaturwechselbeanspruchung werden nur mit unbefriedigender Genauigkeit beschrieben.

Ziel dieser Arbeit ist es einen Lebensdauerkalkulator für ein Alloy 602 P-Strahlheizrohr zu entwickeln, welcher als Anwender-Software in der Industrie verwendet werden kann. Dieser Kalkulator wird mit Python QT implementiert. Das Ergebnis ist eine mechanismusbasierte Beschreibung des P-Strahlheizrohrs unter Einbezug von Temperaturwechseln.

Des Weiteren wird eine Parameterstudie zur Bestimmung der Einflüsse auf die Lebensdauer durch eine Variation des Lastwechsels durchgeführt. Parameter hierbei sind z. B. die Zyklusart, die Temperatur oder der Zyklus-Stellgrad.

PDF: Entwicklung eines Lebensdauerkalkulators und numerische Untersuchungen des Einflusses verschiedener Arten des thermischen Lastwechsels auf ein P-Strahlheizrohr

Kontakt: Karthik

Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung zwischen DFI-Brenner und Zylinder

Im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens zwischen dem IOB der RWTH Aachen und dem ETP der Leibniz Universität Hannover ist ein Verfahren in der Entwicklung, das zur maßgeschneiderten Erwärmung von Massivumformteilen u.a. die direkte Flammenbeaufschlagung (Direct Flame Impingement (DFI)) als Erwärmungsmethode nutzt. Auf möglichst kleinem Raum sollen (z.B. in einem Rundstab oder Hohlzylinder, siehe Abbildung) möglichst scharf getrennte Zonen unterschiedlicher Temperatur zwischen 950 °C und 1250 °C eingestellt werden.

Basierend auf dem in der Literatur dokumentierten Grundlagenwissen zur Wärmeübertragung zwischen nicht-reaktiven Prallstrahlen und Zylindern soll diese Masterarbeit helfen, die Vorgänge zu verstehen, die bei der Umströmung eines zylindrischen Körpers mit einer reaktiven Strömung ablaufen.

PDF: Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung zwischen DFI-Brenner und Zylinder

Kontakt: Bruns

Experimentelle Untersuchung der inhomogenen Erwärmung von Rund- und Vierkantmaterial mittels DFI

Im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens zwischen dem IOB der RWTH Aachen und dem ETP der Leibniz Universität Hannover ist ein Verfahren in der Entwicklung, das zur maßgeschneiderten Erwärmung von Massivumformteilen u.a. die direkte Flammenbeaufschlagung (Direct Flame Impingement (DFI)) als Erwärmungsmethode nutzt. Auf möglichst kleinem Raum sollen (z.B. in einem Rundstab, siehe Abbildung) möglichst scharf getrennte Zonen unterschiedlicher Temperatur zwischen 950 °C und 1250 °C eingestellt werden.

Basierend auf bereits durchgeführten Simulationen zur inhomogenen Erwärmung eines Rundstabes mit DFI-Brennern soll als nächster Schritt die inhomogene Erwärmung von Rund- und Vierkantmaterial an einem Versuchsaufbau experimentell untersucht werden.

PDF: Experimentelle Untersuchung der inhomogenen Erwärmung von Rund- und Vierkantmaterial mittels DFI

Kontakt: Bruns

Untersuchung der Strömung und des Wärmeübergangs im Sprühdüsenfeld

Zur Effizienzsteigerung im Automotive-Bereich werden im Karosseriebau Bandmaterialen mit hochfesten Eigenschaften eingesetzt. Dazu zählen AHSS der dritten Generation, UHSS und Aluminium 6xxx Legierungen. Diese Werkstoffe benötigen zum Erreichen ihrer mechanischen Eigenschaften neue Wärmebehandlungskonzepte. Einer der limitierenden Faktoren bezüglich der maximalen Festigkeit und dem Durchsatz in kontinuierlichen Anlagen ist die Abkühlrate. Diese Werkstoffkonzepte benötigen Abkühlraten von bis zu 1000 K/s.

Eine Abschreckung mit Wasser ermöglicht die höchsten Abkühlraten der industriell eingesetzten Systeme. Zur Abkühlung breiter Bänder werden meist Sprühdüsenfelder verwendet. Der Wärmeübergang kann dabei aufgrund des Leidenfrosteffektes und der Wasserabströmung örtlich sehr unterschiedlich sein und es kommt daher zu einem inhomogenen Temperaturfeld im Band. Insbesondere bei der Wärmebehandlung von dünnen Bändern führen diese Temperaturinhomogenitäten zu Bandverformungen, die sich in Form von Wellen oder Beulen äußern und schließlich zum Ausschuss des Bandes führen. Grundsätzlich können die Bänder dabei horizontal oder vertikal geführt werden. Je nach Bandführung unterscheiden sich die Strömungsverhältnisse auf dem Band.

In dieser Arbeit sollen die Strömungverhältnisse im Sprühdüsenfeld experimentell untersucht und mit den auftretenden Wärmeübergängen korreliert werden. Die Versuche werden an einem Versuchsstand zur Wasserabkühlung durchgeführt. Zum Einsatz kommt ein 3x3 Düsenfeld.

PDF: Untersuchung der Strömung und des Wärmeübergangs im Sprühdüsenfeld

Kontakt: Hof / Schleupen

Kritische Betrachtung der aktuellen Stickoxidgrenzwerte von Industrieöfen unter Berücksichtigung der Energieeffizienz

Stickoxide sind unerwünschte Nebenprodukte bei der technischen Verbrennung. Sie gehören zu den sogenannten reaktiven Stickstoffverbindungen und begünstigen in der Atmosphäre die Bildung des sauren Regens und des sogenannten Sommersmogs. Aus diesem Grund ist die Emission von Stickoxiden in den meisten Ländern der Welt über Grenzwerte reguliert. In der EU werden die relevanten Emissionsgrenzwerte in der Richtlinie 2017/75/EU des europäischen Parlaments und des Rates vom 2. November 2010 über Industrieemissionen festgelegt. Die deutsche Umsetzung dieser Richtlinie ist das Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) mit den geltenden Verordnungen und der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft).

In Deutschland steht eine Novellierung der TA Luft und damit eine Verschärfung der geltenden Emissionsgrenzwerte an. Aktuell werden Grenzwerte als Massenkonzentration (in mg/m³) im trockenen Abgas bei einem definierten Sauerstoffgehalt angegeben. Die Energieeffizienz der Anlage in Bezug auf ihre Emissionen wird momentan also nicht direkt berücksichtigt.

Im Bereich der Verbrennung wird zwischen Brennstoff-, prompter und thermischer NO-Bildung unterschieden. Zur Steigerung der Energieeffizienz wird im Industrieofenbau meist mit vorgewärmter Luft verbrannt. Dies resultiert in höheren Flammentemperaturen und damit in höheren NOx-Emissionen, da die thermische NO-Bildung begünstigt wird. Aus diesem Grund wird selbst bei Neuanlagen auf eine optimale Energieeffizienz verzichtet, um geltende NOx-Emissionsgrenzwerte sicher einhalten zu können.

Dieser Umstand lässt eine Diskussion über die grundsätzliche Definition von Emissionsgrenzwerten entstehen. In dieser Arbeit sollen mögliche Grenzwertdefinitionen, die die Energieeffizienz der Anlage mit dem Schadstoffausstoß kombinieren, diskutiert werden. Hierzu sollen Beispielanlagen mit verschiedenen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und verschieden hohem Schadstoffausstoß in Bezug auf verschiedene Grenzwertdefinitionen analysiert werden.

PDF: Kritische Betrachtung der aktuellen Stickoxidgrenzwerte von Industrieöfen unter Berücksichtigung der Energieeffizienz

Kontakt: Schmitz / Willms

Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Gussstück und Kokille beim Guss einer TiAl-Legierung anhand des inversen Wärmeleitungsproblems

Ein Kernziel des Förderprogramms Flight Path 2050 der Europäischen Kommission ist es, die Umweltverträglichkeit des Flugverkehrs bis zum Jahr 2050 deutlich zu erhöhen. Hierzu zählt die Reduzierung des CO2 und NOx Ausstoßes, sowie eine Senkung der Lärmemissionen. Neben neuen Turbinentechnologien bieten innovative Materialien großes Potenzial zur Treibstoffeinsparung. Hierfür bietet sich der intermetallische Werkstoff TiAl besonders an. Aufgrund der geringen Dichte im Vergleich zu den herkömmlichen Nickelbasislegierungen können hohe Gewichtseinsparungen erzielt werden.

Zur Entwicklung von Gießprozessen für Niederdruckturbinenschaufeln aus Titanaluminid sind simulative Ansätze unabdingbar. Eine sehr wichtige Stellgröße ist hierbei der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der erstarrenden Schmelze und der Kokille, da dieser maßgeblichen Einfluss auf den Erstarrungsverlauf hat. Im Rahmen der angebotenen Masterarbeit soll daher der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der TiAl-Legierung und dem Formwerkstoff bestimmt werden. Ein üblicher Ansatz hierfür ist das inverse Wärmeleitungsproblem. Ausgehend von Temperaturmessungen im Gießprozess auf einem speziell für Hochtemperaturlegierungen ausgelegten Gießaggregat bei Access e.V. soll ein Modell erstellt werden, welches anhand der gemessenen Temperaturen Rückschlüsse auf den Wärmeübergangskoeffizienten ermöglicht.

PDF: Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Gussstück und Kokille beim Guss einer TiAl-Legierung anhand des inversen Wärmeleitungsproblems

Kontakt: Lenz

Entwicklung und Implementierung einer Regelung am Glühsimulator zur Untersuchung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken

Die steigenden Anforderungen der Automobilindustrie fordern eine Anpassung der Werkstoffkonzepte. Im Bereich der für den Bau der Karosserie verwendeten Bandmaterialen wird zunehmend auf Werkstoffe mit hochfesten Eigenschaften gesetzt, hierzu zählen AHSS der dritten Generation, UHSS und Aluminium 6xxx Legierungen. Diese Werkstoffe benötigen zum Erreichen ihrer mechanischen Eigenschaften neue Wärmebehandlungskonzepte. Einer der limitierenden Faktoren bezüglich der maximalen Festigkeit und dem Durchsatz in kontinuierlichen Anlagen ist die Abkühlrate. Abkühlraten von bis zu 1000 K/s sind erforderlich, um die Gefügeentwicklung zu kontrollieren.

Gasabschreckung wird in kontinuierlichen Anlagen gegenüber einer Wasserquench aufgrund der Temperaturhomogenität und Prozessstabilität bevorzugt. Um hohe Abkühlraten zu erreichen werden Prallstrahlen eingesetzt. Der Wärmeübergangskoeffizient ist bei Verwendung von Stickstoff oder Luft auf ca. 80 K/(s∙mm) begrenzt. Höhere Abkühlraten können durch Veränderung der Prozessgaszusammensetzung oder des Atmosphärendruckes erreicht werden. Zur Untersuchung dieser Einflussfaktoren wurde am IOB ein Versuchsstand konstruiert und gefertigt.

In dieser Arbeit soll der Versuchsstand optimiert und in Betrieb genommen werden. Einer der wesentlichen Schritte ist die Auslegung und Implementierung einer Regelung mittels Matlab oder Labview. Anschließend soll eine Parameterstudie zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken durchgeführt werden.

PDF: Entwicklung und Implementierung einer Regelung am Glühsimulator zur Untersuchung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken

Kontakt: Schleupen / Büschgens

Arbeitsgruppe Hochtemperaturströmungen

letzte Aktualisierung: 14.11.2018
Simulation der Joulschen Erwärmung im Elektroschlacke-Umschmelz Prozess im Wechselstrombetrieb

Das Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) ist ein Prozess, welcher häufig in der Herstellung von Superlegierungen oder Stählen mit sehr hohen Qualitätsanforderungen eingesetzt wird. Für die weitere Erforschung und Verbesserung des Verfahrens bzw. der Prozessführung eine genaue Kenntnis der im Prozess ablaufenden Phänomene nötig. Hierfür sind genaue Kenntnisse über die eingesetzten Materialien, als auch über die im Prozess ablaufenden Strömungs- und Temperaturphänomene erforderlich. Durch die rauen Prozessbedingungen bilden Simulationen bisher die einzige Möglichkeit diese Phänomene zu quantifizieren. Diese Simulationen sind in der Regel Multiphysik-Simulationen, welche Mehrphasenströmung, Erstarrung und Aufschmelzen der Elektrode bzw. des fertigen Ingots abbilden können. Aus numerischen Gründen ist es sinnvoll die Berechnung der Stromverteilung und Erwärmung bei einem Wechselstromprozess durch die Finite Element Methode zu berechnen, während die Mehrphasenströmung und Temperaturverteilung mit Hilfe der Finiten Volumen Methode berechnet wird. Für eine 3D-Berechnung des ESU Prozesses ist jedoch eine sehr effektive Kopplung zwischen den Methoden notwendig. Diese ist Momentan mit kommerzieller Software nicht umsetzbar, daher soll ein Modell der Stromverteilung und Joulscher Erwärmung in der Open Source Finite Elemente Bibliothek MFEM umgesetzt werden, welche deutlich flexibler mit bestehenden Modellen koppelbar wäre. Ziel der Arbeit ist es ein funktionierendes Modell zu implementieren und dieses für 2-3 Testfälle mit der kommerziellen Software ANSYS Maxwell zu vergleichen.

PDF: Simulation der Joulschen Erwärmung im Elektroschlacke-Umschmelz Prozess im Wechselstrombetrieb

Kontakt: Schubert

Physikalische Simulation von Blasenverteilungen in Impeller getriebenen Strömungen bei Entgasungsprozessen

Das Entgasen von Aluminiumschmelzen, welches hauptsächlich der Reduzierung des Wasserstoffanteils in der Schmelze dient, ist ein wichtiger Schritt in der Prozesskette diverser Aluminium Legierungen. Die Schmelze wird hierbei durch ein sogenanntes Spülgas (hauptsächlich Argon) gereinigt. Das Spülgas wird dabei in die Schmelze eingedüst, ein Impeller dient sowohl der Verteilung des Spülgases in der Schmelze als auch der Verkleinerung der sich ausbildenden Gasblasen. Der Entgasungsprozess ist diffusionsgetragen, daher verbessern Aufenthaltsdauer sowie eine gute räumliche Verteilung der Spülgasblasen die Effektivität des Prozesses. Während des Prozesses läuft die Schmelze in der Regel kontinuierlich durch die sogenannte Entgasungsbox. Eine Optimierung der Impellerströmung ermöglicht daher entweder eine verbesserte Produktqualität oder einen höheren Durchsatz.

In dieser Arbeit soll die Impellerströmung und Blasenverteilung in einem Wassermodell untersucht werden. Ziel ist es eine Datengrundlage zur Untersuchung der Übertragbarkeit von CFD-Simulationsergebnissen zu dem physikalischen Modell zu schaffen, um die Anwendung der CFD Modelle auf den Realprozess indirekt zu validieren.

Die Arbeit besteht aus Aufbau und Inbetriebnahme der rotierenden Impeller-Vorrichtung und der Gaszufuhr, als auch der Durchführung von Messungen mittels Messmethoden wie z.B. Particle Image Velocimetry (PIV). PIV Methoden erlauben eine Untersuchung von Strömungen durch die automatisierte statistische Auswertung von Laserschnittaufnahmen.

PDF: Physikalische Simulation von Blasenverteilungen in Impeller getriebenen Strömungen bei Entgasungsprozessen

Kontakt: Eickhoff

Simulation des Elektrodenschmelzens im Elektro-Schlacke-Umschmelz Prozess

Das Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) ist ein Prozess, welcher häufig in der Herstellung von Superlegierungen oder Stählen mit sehr hohen Qualitätsanforderungen eingesetzt wird. Für die weitere Erforschung und Verbesserung des Verfahrens bzw. der Prozessführung ist eine genaue Kenntnis der im Prozess ablaufenden Phänomene nötig. Durch die rauen Prozessbedingungen bilden Simulationen bisher die einzige Möglichkeit diese Phänomene detailliert zu quantifizieren. Hierbei kann zum Beispiel das Verhalten der Tropfen beim Abschmelzen der Elektrode mittels Multiphysik-Simulationen, welche Stromfluss, Erwärmung, Mehrphasenströmung und Aufschmelzen der Elektrode abbilden können, bestimmt werden.

In dieser Arbeit soll die Auswirkung verschiedener physikalischer Parameter und Modellansätze ebenso wie die Auswirkung des numerischen Netzes auf das simulierte Abtropfverhalten beim Elektrodenschmelzen untersucht werden. Hierbei steht insbesondere die Mehrphasenströmungssimulation im Fokus der Untersuchung.

Im Laufe der Arbeit wirst du sowohl die kommerzielle Software ANSYS Fluent als auch die Open-Source Lösung OpenFOAM kennenlernen und einen vertiefenden Einblick in die numerische Strömungssimulation erhalten. Die Untersuchungen werden an bestehenden CFD Modellen durchgeführt und sollen später unter verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet werden.

PDF: Simulation des Elektrodenschmelzens im Elektro-Schlacke-Umschmelz Prozess

Kontakt: Schubert

Messsysteme zur Überwachung des Verschleißzustandes der Ausmauerung von Aluminium-Schmelzöfen

Die feuerfeste Ausmauerung von Schmelzöfen in der metallurgischen Industrie unterliegt kontinuierlich korrosiver und abrasiver Belastung. Die isolierende Ofenausmauerung verschleißt dabei z.B. durch chemische Reaktionen mit der Schmelze, sodass sie in gewissen Wartungsintervallen teilweise oder komplett erneuert werden muss. Da der Verschleiß verhältnismäßig ungleichmäßig über die Ofeninnenwand verteilt ist (z.B. verstärkte Abnutzung der Ausmauerung im Bereich der Schmelzbad-Oberfläche) und zudem auch stark von den erschmolzenen Legierungen abhängt, ist eine Instandsetzung nach striktem Zeitplan nicht sinnvoll. Üblicherweise erfolgt die Beurteilung des Zustandes der Ausmauerung soweit möglich auf Basis punktueller Sichtprüfung und durch erfahrene Mitarbeiter. Da ein Durchbruch der Ausmauerung und das damit verbundene Auslaufen von flüssigem Metall unbedingt vermieden werden muss, werden kritische Bereiche der Ausmauerung eher zu früh als zu spät ausgetauscht. Dies ist jedoch zwangsläufig mit einer nicht optimalen Ausnutzung der Lebensdauer der Ausmauerung und daher mit finanziellen Verlusten verbunden.

Eine zuverlässige und objektive Überwachung des Zu-stands der Ausmauerung würde dies vermeiden, menschliche Fehlbeurteilungen ausschließen und so ein großes Potential für Wirtschaftlichkeitssteigerungen eröffnen.

Verschiedene kommerzielle Anbieter haben innovative optische oder sensorbasierte Systeme zur Überwachung des Zustands der Ausmauerung in diversen Anwendungen auf dem Markt.

Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein Überblick über die verschiedenen verfügbaren Systeme gegeben, die jeweilige Leistungsfähigkeit (Einsetzbarkeit in der Aluminiumindustrie sowie Grenzen der Messtechnik) geprüft und gegebenenfalls ein neues maßgeschneidertes Konzept skizziert werden.

PDF: Messsysteme zur Überwachung des Verschleißzustandes der Ausmauerung von Aluminium-Schmelzöfen

Kontakt: Bruns

Experimentelle Bestimmung der Permeabilität von paketiertem Aluminium-Recyclingmaterial und Anwendung der Ergebnisse in CFD-Simulationen

Die Effizienz beim Aluminium-Recycling wird unter anderem durch die Metall-Verluste beim Einschmelzen der Schrotte bestimmt. Schrotte, die mit Lacken verunreinigt sind (wie z.B. gebrauchte Getränkedosen, Stanzreste aus der Blechverarbeitung etc.), setzen bei der Erwärmung auf Schmelztemperatur oberhalb von ca. 350 °C heizwertreiche Pyrolysegase frei, die bei Kontakt mit der Schmelze die Metallausbeute verringern. Daher werden diese organischen Anhaftungen vor dem Einschmelzen thermisch entfernt.

Ein wichtiger Parameter für die Simulation der thermischen Vorbehandlung von paketierten Recyclingmaterialien ist die ist die Kenntnis der Permeabilität (Durchströmbarkeit) des Material-Paketes. Mit ihrer Hilfe kann bestimmt werden, ob und wie schnell Gase aus dem Paket-Inneren an die Oberfläche strömen.

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Kontakt: Bruns

Optimierung von metallurgischen Spülgasprozessen anhand experimenteller Untersuchungen der Blasengrößenverteilung

Bei der Raffination von Stahl, Aluminium und vielen weiteren Metallen wird der schwerkraftinduzierte Aufstieg von Gasblasen ausgenutzt, um eine Homogenisierung der Schmelze bzw. Reinigungswirkung zu erzielen. Die Wirksamkeit der Durchmischung und der Entfernung von nichtmetallischen Einschlüssen ist dabei stark abhängig von der Größe der Gasblasen. Eine Modifikation derselben könnte also die Prozesseffizient positiv beeinflussen. Daher soll im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss verschiedener Düsengeometrien auf die Blasengrößenverteilung untersucht werden. Dabei können sowohl bestehende Düsenformen analysiert, als auch neue Designkonzept entwickelt werden. Die Messergebnisse sollen im Anschluss mit verschiedenen Prozessparametern korreliert werden.

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Kontakt: Haas

Experimentelle Messung der Mischungszeit im Wassermodell einer 185 t Stahlgießpfanne im Maßstab 1:5

Um höchsten Werkstoffanforderungen zu genügen erfordern moderne Stahlprodukte eine steigende Reinheit. Gleichzeit bedingt die wachsende Konkurrenzsituation einen zunehmenden Kostendruck. Daher müssen bestehende Prozesse kontinuierlich optimiert werden. Ein probates Mittel hierfür ist die Messung von Mischungszeiten im realen Prozess oder in geeigneten Wassermodellen. Dabei wird ein Tracer kontinuierlich oder impulsartig in den Prozess geleitet und dessen Konzentration gemessen. Wird anschließend die gemessene Mischungszeit mit dem untersuchten Prozessparameter korreliert können Empfehlungen für eine geeignete Prozessfahrweise ausgesprochen werden.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll die Mischungszeit in einem Wassermodell einer 185 t Stahlgießpfanne im Maßstab 1:5 in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern ermittelt werden. Dabei sollen Empfehlungen hinsichtlich des Versuchsaufbaus umgesetzt werden, die im Rahmen einer vorrangegangenen Bachelorarbeit vorgeschlagen wurden. Im untersuchten Prozess wird Argon in ein schmelzflüssiges Stahlbad geleitet, wodurch eine Durchmischung der Schmelze erreicht wird. Diese Rührwirkung gewährleistet einerseits eine homogene Temperatur- und Stoffverteilung, andererseits eine Entfernung von nichtmetallischen Verunreinigungen aus dem Stahl.

PDF: Experimentelle Messung der Mischungszeit im Wassermodell einer 185 t Stahlgießpfanne im Maßstab 1:5

Kontakt: Haas

Arbeitsgruppe Energie- und Stoffbilanzen

letzte Aktualisierung: 14.11.2018
Thermodynamische Untersuchung und Optimierung des Abgassystems an einem Kupolofen

Die Firma Georg Fischer Automobilguss betreibt am Standort Singen einen der größten Kupolöfen Europas mit einer durchschnittlichen Schmelzleistung von 75t Flüssigeisen pro Stunde.

Im Rahmen dieser Arbeit soll das Abgassystem des Kupolofens bei Georg Fischer in Singen untersucht und Möglichkeiten für eine Optimierung des Systems aufgezeigt werden. Dazu ist im Hinblick auf die Steuerung der Kühlkreisläufe, Absaugleistungen, Kühl- und Verbrennungsluftmengen sowie die Dimensionierung des Abgassystems und nachgelagerter Aggregate wie Filter etc. zunächst der Ist-Zustand aufzunehmen und vorhandene Betriebsdaten zu sichten.

Auf der Basis der Betriebsdaten soll in einem folgenden Schritt ein Modell des Abgassystems entwickelt werden, das die im Abgassystem ablaufende Prozesse (Abgasnachverbrennung, Wärmetauscher, etc.) abbildet und für verschiedene Prozesszustände des Kupolofens simulieren kann.

Im Anschluss daran soll auf der Basis des Modells ein Konzept für die optimale Auslegung des Abgassystems erstellt werden.

PDF: Thermodynamische Untersuchung und Optimierung des Abgassystems an einem Kupolofen

Kontakt: Echterhof

Validierung und Optimierung eines Elektrolichtbogenofen Prozessmodells anhand realer Prozessdaten

Neben der Hochofen-Konverter-Route stellt das Elektrostahlverfahren im Lichtbogenofen (LBO) die wichtigste Stahlerzeugungsroute dar. Das physikalische Verständnis des Einschmelzprozesses im LBO spielt für eine weitere energetische Optimierung eine wichtige Rolle. Modelle und Simulationen können dazu beitragen, Prozessabhängigkeiten zu untersuchen und Zusammenhänge besser zu verstehen.

Grundlage der Arbeit ist ein am IOB entwickeltes Prozessmodell für den Lichtbogenofenprozess. Es liegen Messwerte von einem industriellen LBO vor, die zur Erstellung von Fahrdiagrammen für die Simulation und zur Validierung der berechneten Ergebnisse dienen. Im Rahmen eines laufenden Forschungsprojektes werden Daten von zwei weiteren Stahlwerken zur Verfügung gestellt.

Diese Messdaten sollen im Rahmen der Arbeit aufbereitet und in das Modell integriert werden. Gegebenenfalls müssen dazu auch Anpassungen an der Modellierung vorgenommen werden. Die vom Modell errechneten Ergebnisse sollen mit Messungen verglichen und interpretiert werden. Anhand der erzielten Ergebnisse sollen Vorschläge zur Verbesserung des Prozessmodells erarbeitet werden.

PDF: Validierung und Optimierung eines Elektrolichtbogenofen Prozessmodells anhand realer Prozessdaten

Kontakt: Hay

Einsatz von Reststoffen aus der CFK-Produktion als Sekundärrohstoffe in der Eisen- und Stahlmetallurgie

Bei Eisenwerkstoffen wird zwischen Stahl (<2,06% Kohlenstoff) und Gusseisen (>2,06% Kohlenstoff) unterschieden. Für die Herstellung von Stahl gibt es in Deutschland zwei Arten, die klassische Hochofen-Konverter-Route und die Elektrostahlroute. 2016 deckte die Hochofen-Konverter-Route 70% der deutschen Stahlproduktion, die restlichen 30% entfielen auf die Elektrostahlroute. Gusseisen wird in Deutschland hauptsächlich in Kupolöfen hergestellt.

Allen drei Aggregaten ist gemein, dass Kohlenstoff in den Prozessen benötigt wird. Als Quellen können neben fossilen Rohstoffen, kohlenstoffhaltige Sekundärrohstoffe, wie z.B. Biomassen oder industrielle Reststoffe dienen. Ein wachsender Anteil an kohlenstoffhaltigen Reststoffen stellen dabei CFK-Produktionsreste dar. Für diese Stoffe gibt es im Moment noch keine endgültige Möglichkeit zum stofflichen Recycling.

Während der Herstellung und Nutzung von CFK fallen unterschiedliche Arten von Abfällen an. Die Abfälle werden in „trockenen“ und „nassen“ Abfall unterschieden. Unterscheidungsmerkmal dabei ist, ob die Fasern bereits in Kontakt mit Kunststoffmatrix gekommen sind. Eine weitere Unterteilung bezieht sich auf den Ort des Anfalls bzw. den betreffenden Verarbeitungsschritt. Es ist anzumerken, dass es kein Verfahren zur Erzeugung von CFK-Produkten ohne den Anfall von Abfällen gibt und deren Anteil bis zu 50 Ma.-% des Produkts betragen kann.

Im Rahmen dieser Arbeit soll untersucht werden, ob der Einsatz von CFK-Produktionsreste in der Eisen- und Stahlmetallurgie möglich ist. Die Arbeit teilt sich in einen theoretischen und einen praktischen Teil auf. Im theoretischen Teil soll auf Basis von Literaturdaten abgeschätzt werden, welche physikalischen und chemischen Anforderungen die CFK-Produktionsreste erfüllen müssen um in den drei Aggregaten Hochofen, Lichtbogenofen oder Kupolofen eingesetzt zu werden. Im praktischen Teil sollen Untersuchungen zur Eignung von CFK-Produktionsresten durchgeführt werden. In einem Tammann-Ofen werden dazu Untersuchungen zum Vermögen zur Bildung von Schaumschlacke vorgenommen. In einer weiteren Testreihe sollen Daten zu Beurteilung der Reaktivität des Materials generiert werden.

PDF: Einsatz von Reststoffen aus der CFK-Produktion als Sekundärrohstoffe in der Eisen- und Stahlmetallurgie

Kontakt: Willms